基于東魚河搖蚊群落的水環境質量評價

王麗媛　楊麗偉　羅文磊　陳詩越　陳影影

摘要：東魚河作為南四湖最長的入湖河流，其水質狀況對于南四湖的水環境質量具有重要影響。為分析東魚河搖蚊群落結構與水體富營養化的關系，于2013年5月對東魚河8個采樣點表層松散2 cm底泥中的搖蚊幼蟲頭殼進行了分析。東魚河底泥中共鑒定出30個搖蚊屬種，主要屬種由Glyptotendipes pallens-type（20.42%）、Cricotopus sylvestris-type（18.23%）、Chironomus plumosus-type（15.24%）、Tanytarsus mendax-type（7.35%）、Dicrotendipes nervosus-type（7.12%）、Chironomus anthracinus-type（6.23%）、Polypedilum nubifer-type（5.38%）組成，共占所有搖蚊含量的79.97%。其中Glyptotendipes pallens-type、Cricotopus sylvestris-type和Chironomus plumosus-type是東魚河的優勢種，占全流域的53.89%。基于生物多樣性指數及主成分分析對東魚河水質進行分析，結果表明，東魚河水體處于輕度-中度污染等級;冗余分析得到NH3-N是影響東魚河搖蚊組合分布的主要水環境因子，且不同搖蚊屬種對NH3-N的響應不同。此外，結合搖蚊組合生態特性綜合分析得，中游、中下游污染較嚴重，是東魚河水污染治理的重點區域。

關鍵詞：搖蚊;生物學評價;冗余分析;水環境質量;東魚河

中圖分類號：X82文獻標志碼：A

Abstract：As the longest river discharging into the Nansi Lake，the Dongyu River plays an important role on the water quality of the Nansi Lake.To better understand the relationship between the community structure of chironomid and eutrophication of the Dongyu River，the head shells of larvae preserved in the upper 2-cm-thick loose bottom sediments were investigated with eight samples collected in May 2013.A total of 30 Chironomus species were identified in the Dongyu River surface sediments.The main genus were composed of Glyptotendipes pallens-type （20.42%），Cricotopus sylvestris-type （18.23%），Chironomus plumosus-type （15.24%），Tanytarsus mendax-type （7.35%），Dicrotendipes nervosus-type （7.12%），Chironomus anthracinus-type （6.23%），and Polypedilum nubifer-type （5.38%），accounting for 79.97% of the total counts.Based on the biodiversity index and principal component of the Dongyu River，the water body was in a mild to moderate pollution level.Redundancy analysis showed that NH3-N was the main water environmental factor resulting in the distribution of the chironomid in the Dongyu River，and the responses of different species of Chironomid to NH3-N were varied. It can also be inferred that the Dongyu River is a medium-eutrophic river，according to the ecological characteristics of the chironomid combination，with serious pollution in the middle and lower reaches，which are the key areas for water pollution control.

Key words：Chironomidea;biological evaluation;redundancy analysis;water quality;Dongyu River

南四湖是南水北調東線重要的調蓄湖泊，東魚河作為南四湖最大的入湖河流，其水質狀況不僅關系到河流沿線居民的生產生活和經濟發展，同時也關系到到南水北調東線輸水工程的水質安全[1-2]，對入南四湖河口水質有著重要影響。東魚河作為一條人工河，橋、涵、閘建筑物108座，河流受人工控制較強，東魚河水質主要受到沿岸居民生產生活影響。武周虎等[3]就2010-2011年期間的南四湖的35個入湖河口水質監測數據分析其等標污染物負荷，東魚河負荷比為7.0%，是南四湖10條主要排污河流之一，也成為南四湖治污的重點。東魚河作為國家水資源監控能力建立淮河流域二期項目之南四湖19條入湖河流水量監控站點之一[4]，其流域范圍內自然條件惡劣，降水量小于蒸發量，更增大了污染物擴散及轉化的阻力，加劇水質安全的威脅。近些年在人類活動的干擾下，水質狀況越來越差，徑流量逐漸降低[5]，隨著當地城鎮化進程加快、城鎮人口數量增加，城市生產生活用水量大幅度增加，加快東魚河水環境治理具有現實意義。

2.2.3 主成分分析

運用SPSS軟件將環境因子數據進行主成分分析（PCA）。PCA分析是它可以將多維的水環境因子納進統一系統中進行定量化研究[24]，然后利用主成分分析建立水環境評價模型，可以保證在原始數據信息處于最小損失的情況下，用少量變量代替多維變量來簡化數據結構[25]，作為多指標分析，從眾多環境變量中剔除相關因子，篩選出主要的少數獨立綜合環境因子，而且篩選出來的這些因子能夠對研究結果做出充分及合理的解釋[26]。根據所計算的觀測點水質污染綜合得分，將水質污染程度做定量化描述，得分越大，表示水環境污染程度越嚴重，進而對不同觀測點水質狀況進行評價分級[27]。本文采用的水環境指標有SAL、DO、NH3-N、NO3-N、NO2-N、SOP、STP、TP、TOC、Hg和As。

3 結果與分析

3.1 東魚河搖蚊群落特征

東魚河8個采樣點采集1 572.5個搖蚊幼蟲頭殼，分別隸屬于3亞科20屬，共30種。其中，DYH-4搖蚊種類最多有19種，DYH-2和DYH-8最少均為11種，DYH-1、DYH-3、DYH-5、DYH-6、DYH-7分別為13、18、16、17、17種，其中豐度>2%的有22個，詳見圖2。東魚河搖蚊幼蟲頭殼主要屬種由Glyptotendipes pallens-type（20.42%）、Cricotopus sylvestris-type（18.23%）、Chironomus plumosus-type（15.24%）、Tanytarsus mendax-type（7.35%）、Dicrotendipes nervosus-type（7.12%）、Chironomus anthracinus-type（6.23%）、Polypedilum nubifer-type（5.38%）組成，含量共占所有搖蚊亞化石屬種的79.97%。其中Chironomus plumosus-type、Glyptotendipes pallens-type和Cricotopus sylvestris-type是東魚河的優勢種，占全流域的53.89%，幾乎全流域分布。

東魚河8個采樣點搖蚊的平均密度為655 ind./m2，DYH-1的搖蚊密度最低，為80 ind./m2，DYH-4的搖蚊密度最高，達到峰值，為1 447 ind./m2。由圖3可以看出，DYH-1、DYH-2、DYH-3和DYH-8的搖蚊密度低，其余采樣點搖蚊密度高，不同采樣點搖蚊密度差異很大，整體上的搖蚊群落密度沿流域增加。并且搖蚊密度流域分布不均勻，反映出各采樣點水質狀況差別很大。[HJ2.1mm]

3.2 東魚河水質評價

東魚河8個采樣點搖蚊Margalef指數、Shannon-Wiener指數、Pielou指數的波動范圍依次為2.43～3.54、1.35～1.99、0.53～0.75，東魚河搖蚊平均值依次為2.76、1.66和0.61。根據表2所示，Margalef指數的環境質量評價結果為25%的輕污染等級，75%中污染等級;Shannon-Wiener指數環境質量評價結果為100%的中污染等級;Pielou指數的環境質量評價結果為87.5%的輕污染等級，12.5%的中污染等級。Margalef指數和Shannon-Wiener指數反映采樣點DYH-2、DYH-4、DYH-5、DYH-6、DYH-7、DYH-8的水質狀況都為中度污染。采樣點DYH-7三個評價指標反映的水質狀況都為中污染等級，其余采樣點三個生物 指標評價結果不完全相同，都處于輕度-中度污染狀態，這表明東魚河不同流域的水體受污染程度不同，反映的水質狀況存在一定的差異，整體屬于“輕污染-中污染”等級。

3.3 東魚河水環境質量綜合評價

DCA分析顯示，各軸中最大梯度長度為1.33（SD<2），表明搖蚊對水環境因子的響應為線性模型，因此采用RDA分析搖蚊與水環境因子間的關系較合適。RDA揭示了搖蚊群落結構與水環境因子之間的相互關系，通過非限定性蒙特卡洛置換（p<0.05，n=499）檢驗，剔除共線性參數（VIF≥5），篩選出NH3-N（F=5.012，P=0.02）是影響搖蚊組成與分布的顯著因子，所解釋的搖蚊變率為45.5%，說明該區域的環境變量與搖蚊組分之間具有極強的相關性。

由圖4（a）RDA物種-環境排序圖可知，NH3-N的含量與第一軸關系密切，沿第一軸的負向直線增加，尤其是物種Microchironomus tabarui-type、Cladopelma laccophila-type、Parachironomus varus-type、Dicrotendipes nervosus和優勢種Chironomus plumosus-type、Glyptotendipes pallens-type和Cricotopus sylvestris-type等幾乎都隨著NH3-N濃度的增加呈線性增多;而Paratanytarsus penicillatus-type、Cricotopus bicinctus-type、Tanpus Meigen、Cladotanytarsus mancus-type和Cricotopus trifascia-type等的分布受低濃度的NH3-N的影響較大。其他豐度較高的搖蚊屬種與NH3-N的相關度不高，表明東魚河水環境中不同水質要素對搖蚊屬種的響應差異顯著，且不同物種對不同水環境要素污染的響應差異顯著。

圖4（b）RDA樣點-環境排序圖可知，東魚河中游、中下游采樣帶點（DYH-4、DYH-5、DYH-6、DYH-7）散落在NH3-N濃度高的區域。中游、中下游采樣點搖蚊密度大，屬種Chironomus anthracinus-type、Glyptotendipes pallens-type、Propsilocerus akamusi-type等在此區域分布較多，其中Propsilocerus akamusi-type是Ⅳ水體（中污染水體）的指示物種，并且Margalef指數、Shannon-Wiener指數的水質評價結果顯示該區域水體屬于中度污染等級，污染較嚴重;東魚河上游及入湖口處采樣點（DYH-1、DYH-2、DYH-3、DYH-8）散落在NH3-N濃度低的區域，該區域搖蚊密度小，主要搖蚊屬種為Tanytarsus mendax-type、Polypedilum nubifer-type、Procladius Skuse，其中Tanytarsus mendax-type是Ⅲ類水體（輕污染水）的指示物種，而Polypedilum nubifer-type是在Ⅲ類水體及Ⅳ類水體中豐度最大，Procladius Skuse為世界廣適種，具有耐酸性。因此東魚河上游水體及入湖口處水體污染程度較輕，中游及中下游水體污染較嚴重。

根據東魚河8個觀測點的水質指標，采用PCA分析（累計貢獻率大于85%，共選出3個主成分）所得結果見表3。東魚河上游觀測點DYH-1、DYH-2、DYH-3、DYH-8的水質處于輕污染，觀測點DYH-4、DYH-5、DYH-7的水質處于中度污染，觀測點DYH-6的水質處于重污染。即東魚河上游水質狀況較好，中游及下游水質污染較嚴重。主成分分析結果與生物學評價結果較為一致，東魚河整體處于輕度-中度污染等級。

4 討論

搖蚊屬種的組合分布受多種水環境要素的影響，如溫度、PH、水深、食物、溶解氧等的變化都會是搖蚊組合發生變化。在淺水流域中，水質變化會在一定程度上影響搖蚊組合變化分布，因此搖蚊群落組合變化能很好的反應水環境污染狀況[28]。研究表明Chironomus plumosus-type和Propsilocerus akamusi-type為水體富營養化的指示生物[29]，曹艷敏等[30]根據太湖梅梁灣T0950巖芯搖蚊亞化石組合變化，揭示了太湖梅梁灣湖區水體從1940年至今營養水平的演化。本文通過非限定性蒙特卡洛置換檢驗，僅篩選出NH3-N（F=5.012，P=0.02）是東魚河搖蚊組合分布的顯著影響因子。根據張菊等[31]的研究結果，東魚河主要水環境污染因子為NH3-N、TP和Hg，張恩樓等[15]已證明TP是影響搖蚊群落結構組成與分布的重要水環境因子，說明東魚河水環境中TP對搖蚊群落組合分布的影響小于NH3-N。通過RDA分析得到，Microchironomus tabarui-type、Parachironomus varus-type、Cladopelma laccophila-type、Parachironomus varus-type、Dicrotendipes nervosus為NH3-N的耐污染屬種，但其他豐度較高的搖蚊屬種與NH3-N的相關度不高，表明東魚河水環境中不同水質要素對搖蚊屬種的響應差異顯著，且不同物種對不同水環境要素污染的響應差異顯著。

東魚河主要搖蚊屬種中Chironomus plumosus-type為Ⅴ類水體（重污染水體）的指示物種，主要分布于中游、中下游流域;Cricotopus sylvestris-type是Ⅳ類水體指示物種，下游分布較多;Polypedilum nubifer-type、Tanytarsus mendax-type為Ⅳ類水體的指示物種，Polypedilum nubifer-type、Tanytarsus mendax-type主要分布在東魚河中游;Glyptotendipes pallens-type為嗜酸性屬種，分布于中游、中下游河段;Dicrotendipes nervosus-type為Ⅳ類水體指示物種，在中游、中下游流域分布較多，Tanytarsus mendax-type是Ⅲ類水體的指示物種，而Polypedilum nubifer-type是在Ⅲ類水體及Ⅳ類水體中豐度最大。結合三種生物指標評價結果及主成分分析結果，東魚河水體處于輕度-中度污染等級，中游、中下游水環境污染較嚴重，域范圍內差距很大。東魚河中游、中下游水質較差，污染主要來源于沿岸農業區帶來的農業面源污染及生活污水的排放;僅在1997年全區域的化肥使用量就高達100多萬t，農藥使用量達2 500萬t[32]，大量的農業污染物殘留，難以根治，使得沿線水環境污染難以在短時間內治理。東魚河上游水體污染較輕，上游主要為工業廢水排放引起的水環境污染，如菏澤、定陶縣、成武縣等設有大量工廠，但在人為干擾下，加強企業對污水的治理，使得水體得到相應改善。總而言之，人類活動是造成東魚河水環境污染的主要原因，隨著城市化進程的加快，東魚河水環境勢必面臨著更加嚴峻的挑戰，加強東魚河水環境治理不僅關系到南水北調東線水質安全，更關系到沿線居民的生產生活。

本文基于搖蚊反映的東魚河水質狀況與張菊等[30]基于東魚河水環境數據所反映的水質狀況相吻合，其中NH3-N含量在中游上升，在下游含量下降，且中游水體污染較嚴重，這與搖蚊組合分布特征相呼應，中游Ⅳ類水體指示屬種密集，水環境污染較嚴重，上游Ⅲ類水體指示屬種密集，證明根據搖蚊群落結構所反映的水環境狀況結果準確可靠。根據張偉分析的東魚河上游東明縣黃軍營村及入湖口處的魚臺縣西姚村的兩個水質采樣點2000-2008年的水質狀況，僅有黃軍營村水體中的NH3-N含量在2005-2007年間超標準值，其研究結果表明東魚河水體在2006-2008年為輕污染河流[33]。其研究設立采樣點較少，僅監測了東魚河上游和入湖口兩個采樣點的水質狀況，不能反映東魚河體整體的水質情況，其研究只能說明東魚河上游及入湖口處水質狀況較好。

5 結論

東魚河搖蚊的優勢屬種由Chironomus plumosus-type、Glyptotendipes pallens-type和Cricotopus sylvestris-type組成，占全流域的53.89%。RDA分析顯示NH3-N是影響東魚河搖蚊群落組合分布的顯著因子，共解釋了45.5%的搖蚊變率，屬種Microchironomus tabarui-type、Parachironomus varus-type、Cladopelma laccophila-type分布在NH3-N污染較大的區域，它們可視為水體NH3-N污染的指示生物。水環境生物學評價結果顯示東魚河不同流域受污染程度不同，根據搖蚊群落結構分布特征，東魚河整體處于輕度-中度污染狀態，中游、中下游水體污染較嚴重，為治理的重點區域。

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